1. 介绍
2024 铝合金是现代工程中用途最广泛的热处合金之一.
通过将高强度与良好的疲劳性抗性结合在一起, 它在航空航天中起关键作用, 防御, 和高性能应用.
在1940年代开发, 2024 很快成为飞机翼皮的首选合金, 机身框架, 和结构组件.
在本文中, 我们检查机械性能, 冶金行为, 耐腐蚀性, 制造过程, 和现实世界的应用 2024 铝.
2. 化学成分 2024 铝
2024 铝 合金属于 Al -with -MG -MN 家庭, 每个元素都起着精确的冶金作用. 它的典型构图分解如下:
| 元素 | 典型范围 (wt %) | 功能 |
|---|---|---|
| 铜 (铜) | 3.8 - 4.9 | 通过Al₂cu沉淀的主要加强元件 |
| 镁 (毫克) | 1.2 - 1.8 | 增强降水硬化和总体强度 |
| 锰 (Mn) | 0.30 - 0.90 | 晶粒再填充散布以前; 改善韧性 |
| 铁 (铁) | ≤ 0.50 | 保持低端以最大程度地减少脆弱的金属间形成 |
| 硅 (和) | ≤ 0.50 | 控制铸造流动性; 低水平避免粗相 |
| 锌 (Zn) | ≤ 0.25 | 跟踪添加; 可以稍微提高力量 |
| 铬 (Cr) | 0.10 - 0.25 | 阻碍重结晶; 改善耐腐蚀性 |
| 钛 (的) | ≤ 0.15 | 完善谷物结构; 促进统一的微观结构 |
| 其他的 (铜, 毫克, Mn, ETC。) | 平衡 (al) | 铝构成其余的, 确保低密度和良好的形成性 |
3. 关键变体和热处理
- 2024-T3: 解决方案处理, 冷工作, 自然老化. 提供UTS≈ 470 mpa和ys≈ 325 MPA.
- 2024-T351: 与T3相似，但压力缓解拉伸, 改善板和板的尺寸稳定性.
- 2024-T4: 解决方案处理并自然老化; UTS降至≈ 435 MPA，但保留更好的形成性.
- 2024-T851: 解决方案处理, 压力释放, 和人为老化; 平衡力量 (UTS≈ 460 MPA) 具有极好的耐剥离腐蚀性.
4. 物理和机械特性 2024 铝
2024 铝提供了轻巧的特殊平衡, 热性能, 和高力量.
物理特性 2024 铝
| 财产 | 价值 |
|---|---|
| 密度 | 2.78 g/cm³ |
| 导热率 | 〜120 W/m·k |
| 热膨胀系数 | 23.2 ×10⁻⁶ /°C |
| 比热 | 880 j/kg·k |
| 弹性模量 | 73 GPA |
| 工作温度限制 | ≤ 150 °C (短期≈ 180 °C) |
室温机械性能
| 财产 | 2024-T3 | 2024-T4 | 2024-T351 | 2024-T851 |
|---|---|---|---|---|
| 最终的拉伸强度 (MPA) | 483 | 469 | 483 | ≥ 455 |
| 产生强度 (0.2 % 抵消, MPA) | 345 | 324 | 345 | ≥ 400 |
| 弹性模量 (GPA) | 73.1 | 73.1 | 73.1 | 72.4 |
| Brinell硬度 (HB) | 120 | 120 | 120 | 128 |
| 休息时伸长 (%) | 18 % | 19 % | 18 % | 5 % |
| 剪切模量 (GPA) | 28 | 28 | 28 | 27 |
| 剪切力 (MPA) | 283 | 283 | 283 | 296 |
| 疲劳强度 (MPA) | 138 | 138 | 138 | 117 |
疲劳性能和裂纹增长行为
在完全逆转的弯曲下 (r = –1), 2024-T3的耐力极限大约 160 MPA 在10⁷周期.
它的疲劳裂纹增长率遵循巴黎法律指数 3.0–3.5, 表明对压力强度范围的中等灵敏度.
在表面附近的射击或冷工作会使疲劳极限提高 10–20％, 制作 2024 适用于周期性装载的飞机皮和旋转结构.
高温稳定性和抗蠕变性
虽然 2024 保留超过 90% 其T3强度之后 100 °C 曝光 100 小时, 它开始在上面变软 120–150°C.
在 150 °C, 在持续负载下，蠕变率可以衡量 - 将长期服务限制为以下 130 °C.
因此，工程师保留 2024 对于环境到中度温度应用, 在选择其他合金的同时 (例如。, 6061 或者 7075) 或不锈钢用于热门服务.
5. 腐蚀行为和表面保护
虽然 2024 抵抗干燥空气中的一般腐蚀, 在海洋或酸性条件下，它遭受斑点和晶间攻击.
合金的高铜含量集中在老化期间的晶界, 为局部腐蚀创建网站. 减轻这种风险, 工程师申请:
- 阳极氧化: 产生10–20 µm厚的Al₂o₃层, 增强障碍保护并允许染色以识别.
- 覆层 (阿尔克拉德): 粘合一层 (5–10％) 纯铝至 2024 薄板极大地改善了航空皮肤中的耐腐蚀性.
- 转换涂层: 铬酸盐或非铬酸盐喷雾剂在底漆和油漆之前钝化表面.
6. 制造和可加工性 2024 铝合金
2024 铝合金在高压力应用中的实用程序取决于其适应多种制造工艺的适应性,
尽管其性能需要仔细控制形成, 热处理, 和加工参数.
形成和锻造特征
冷的行为
- 温度依赖性延展性:
-
- 在 T3/T4/T351脾气, 由于强度适中，合金表现出极好的冷表现 (拉伸强度〜470–525 MPa) 和高伸长 (10–12％).
它很容易被冲压, 弯曲, 滚动形成, 并伸展, 它非常适合复杂的航空航天组件，例如机翼皮肤或机身面板. - T851脾气, 然而, 构成明显较小 (伸长率6-8％) 由于人工衰老的硬度增加.
在这种状态下的冷工作风险破裂，需要预热至100–150°C才能改善延展性.
- 在 T3/T4/T351脾气, 由于强度适中，合金表现出极好的冷表现 (拉伸强度〜470–525 MPa) 和高伸长 (10–12％).
- 工作硬化率: 2024 合金表现出适度的工作硬化指数 (n≈0.15–0.20), 意味着它在变形过程中逐渐变硬.
中级退火 (300–350°C持续1-2小时) 多阶段成型可能是恢复延展性和减少内部应力的必要条件.
热形成和锻造
- 锻造温度范围: 最佳锻造发生在 350–450°C, 合金的流动应力减少的地方 (≈50–100 mpa) 谷物生长被最小化.
预热死亡到200–250°C可减少热冲击并改善材料流量. - 微观结构控制: 必须控制锻造后冷却率以避免形成粗粒.
对于大多数应用来说，快速空气冷却是典型的, 虽然冷却较慢可能需要随后的均质化 (490–520°C 4-8小时) 溶解残余分离并改善机械均匀性. - 应用示例: 高强度的航空航天疑问 (例如。, 起落架组件) 通常使用T851脾气 2024,
随着锻造过程的优化，以对齐沿应力路径的谷物流动, 增强抗疲劳性.
可加工性
2024 铝合金被评为 公平到良好的可加工性 (可加工性指数≈40–50, 在哪里 100 =自由切割黄铜), 受脾气影响的性能, 工具, 和切割参数.
关键挑战
- 切割过程中的工作硬化: 合金倾向于在尖端上工作, 特别是在T851脾气中, 如果饲料和速度次优，则导致工具磨损.
- 芯片焊接 (建立边缘): 柔软的, T3/T4温度中的延性矩阵可以粘附在工具表面上, 引起表面粗糙度和工具故障.
- 热灵敏度: 高铜含量增加导热率 (121 w/m·k), 但是，如果冷却液不足.
表面处理
- 正确调谐参数可以实现 ra≤ 1.6 μm 在T3/T4脾气中, 而T851可能需要更精细的供稿 (≤0.15mm/rev) 由于其硬度较高而匹配此效果.
制作后热处理和缓解压力
- 形成的组件: 在T3/T4脾气中形状的零件经常发生 稳定退火 (120–150°C 24–48小时) 减轻残留应力并防止服务中的应力腐蚀破裂.
- 锻造零件: 锻造和加工后, T851温解的组件需要 溶液热处理 (495–505°C持续1-2小时),
淬火, 和人工衰老 (190°C持续12-16小时) 达到峰值强度.
7. 是 2024 铝制焊接?
焊接 2024 提出挑战. 其高铜含量可降低焊接区强度并增加热裂风险.
气体 (GTAW) 或气弧焊接 (田) 和 2319 或者 4043 填料合金可以加入 2024,
但是设计人员通常避免使用机械固定或粘合粘合的结构焊接.
必要时, 预热至 100 °C 和焊后的人工衰老 (T8X脾气) 帮助恢复 80% 基准强度.
8. 申请 2024 铝合金
这 2024 铝合金是航空航天和运输领域中使用最广泛的高强度材料之一
由于其特殊的疲劳阻力, 中等的形成性, 和高强度与权重的比率.
航空业
2024-T3和T351是飞机制造中的主食, 特别是:
- 翼皮 & 机身结构: 高疲劳性和良好的表现能力 2024 大型的理想选择, 薄壁的部分，例如机翼皮肤, 机身框架, 和肋骨.
- 舱壁和纵梁: 需要高强度和抵抗循环载荷的组件在长时间的使用寿命中.
- 起落架托运 (T851): T851脾气, 具有出色的强度和应力腐蚀性, 用于锻造零件，例如起落架齿轮梁, 执行者, 和铰链.
汽车和赛车
尽管由于腐蚀敏感性而没有广泛用于群众生产车辆, 2024 找到利基在:
- 赛车底盘和悬架臂: 其中最大强度与重量比对于速度和机动性至关重要.
- 自定义性能零件: 赛车车轮, 支撑杆, 和跨成员.
工业和结构设备
2024 合金用于高负载, 容易发生的工业组件, 包括:
- 液压和气动配件
- 负载连接器和紧固件
- 桥梁组件和机械连接
它的使用通常仅限于表面保护的应用 (通过覆层或涂料) 可以减轻腐蚀暴露.
其他专业用途
- 机器人技术和自动化系统: 高速机器人组件中的轻巧结构臂和最终效果.
- 高性能自行车和体育用品: 赛车自行车的框架和关键关节, 特别是在动态负载强度的情况下.
9. 利弊 2024 铝合金
2024 铝合金, 特别是在热处理形式中 (T3, T4, T351, T851),
提供高强度和抗疲劳性的均衡结合, 使其成为结构应用的首选材料.
优点 2024 铝
高强度重量比
- 最强的铝合金之一, 特别是在T3和T851脾气中, 拉伸强度达到470–505 MPa.
- 可以在航空航天和运输应用中节省大量重量.
极好的抗疲劳性
- 在循环加载条件下，优于许多其他铝等级.
- 适合重复应力的组件的理想选择, 例如飞机机翼和汽车悬架系统.
良好的可加工性
- 额定公平, 特别是在T3和T4脾气中.
- 产生一致的芯片形成，并通过适当的工具允许耐受性.
退火或T3/T4条件中的适度形成性
- 可以拉伸形成, 滚动形成, 并精确地盖章.
- 用于飞机皮和框架中复杂的空气动力学形状.
通过热处理增强特性
- 广泛的脾气使设计师可以量身定制强度, 延性, 和耐腐蚀性.
- 人工衰老 (T851) 改善重型应用的机械性能.
经过验证的航空航天遗产
- 数十年的成功使用在关键航空航天结构中验证其性能和可靠性.
缺点 2024 铝
耐腐蚀性不佳
- 特别容易受到海洋和潮湿环境中的晶间和点蚀腐蚀的影响.
- 需要保护性覆层, 阳极氧化, 或转换涂层以实现长期耐用性.
有限的可焊性
- 不建议由于热裂纹和热影响区域的机械性能损失而用于融合焊接.
- 机械固化或摩擦搅拌焊接是首选.
降低高强度脾气的可加工性
- 诸如T851之类的脾气表现出降低的延展性和较高的冷裂风险.
- 可能需要预热或中间退火.
加工期间的热敏感性
- 高铜含量会导致切割边缘快速积聚, 可以降低工具寿命而无需足够的冷却.
对压力腐蚀破裂的敏感性 (SCC)
- 除非有适当的压力，否.
相对于普通合金的成本
- 比更昂贵 6061 或者 5052 铝由于其铜合金和热处理要求.
10. 与其他AL – CU合金和竞争对手进行比较
2024 铝合金因其强度和抗疲劳性而被广泛考虑, 但是它不是孤立存在的.
比较表: 2024 铝vs. 竞争材料
| 财产 | 2024 铝 | 7075 铝 | 6061 铝 | ti-6al-4V (钛) | 碳纤维复合材料 |
|---|---|---|---|---|---|
| 密度 (g/cm³) | 2.78 | 2.81 | 2.70 | 4.43 | 〜1.6 |
| 抗拉强度 (MPA) | 470–505 (T3/T851) | 540–580 (T6) | 310–350 (T6) | 900–1000 | 600–1300 (光纤方向) |
| 疲劳性抗性 | 出色的 | 非常好 | 缓和 | 出色的 | 出色的 (各向异性) |
| 耐腐蚀性 | 中度至贫穷 | 公平至中等 | 好的 | 出色的 | 出色的 |
| 可焊性 | 贫穷的 | 非常贫穷 | 出色的 | 缓和 (屏蔽) | 贫穷的 |
| 可加工性 | 公平 | 公平的 | 出色的 | 缓和 | 贫穷的 (磨料) |
| 形成性 | 好的 (T3/T4) | 贫穷的 | 非常好 | 缓和 (热形成) | 有限的 |
| 成本 | 缓和 | 更高 | 低的 | 很高 | 很高 |
| 典型的应用 | 航空皮肤, 框架 | 飞机翼, 防御 | 一般结构用途 | 喷气发动机, 植入物 | 航天, 运动的, 电动汽车 |
11. 结论
2024 铝合金结合了高强度, 疲劳耐力, 和轻巧的结构, 使其在航空航天和防御中必不可少.
然而，它易受腐蚀和有限的可焊性需求保护涂料和替代加入方法的脆弱性.
工程师必须权衡这些交易与成本和绩效要求.
作为下一代AL – CU – MG合金和添加剂制造,
开发人员将完善 2024 铝的谱系 - 潜在地提高其服务温度, 耐腐蚀性, 以及未来高性能应用程序的加工性.
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常见问题解答
是什么 2024 等级铝?
2024 铝是高强度, Al – Cu – Mg-Mn家族中的热处理锻造合金. 它通常包含3.8–4.9 % 铜, 1.2–1.8 % mg和0.3-0.9 % Mn, 与余额.
在T3或T351脾气中, 它提供了约470–505 MPa的最终拉伸强度和极佳的疲劳性抗性,
使其成为航空皮肤的中流, 机身框架, 和其他结构组件.
是 2024 铝强 6061?
是的. 在等效脾气中 (例如. T6 6061 和T3 2024), 2024的拉伸力 (〜470 MPA) 大大超过6061-T6 (〜310 MPA).
然而, 6061 提供更好的耐腐蚀性, 可焊性, 和表现性, 因此，工程师根据最大的强度或易于处理是至关重要的选择.
什么是 2024 铝制飞机?
许多商业和军用飞机合并 2024 临界负载面板中的合金.
例如, 波音 737 和空中客车A320系列使用2024-T3/T351用于机翼皮肤, 机身框架, 和舱壁.
战斗机 (例如。, F-16) 也雇用 2024 在疲劳寿命至关重要的结构肋骨和访问面板中.
有什么区别 2024 和 7075 铝?
- 作品: 2024 是Al – Cu – Mg – Mn合金 (≈4 % 铜), 然而 7075 是Al – Zn – Mg – Cu合金 (≈5–6 % Zn).
- 力量: 7075-T6达到〜540–580 MPA UTS, 高于2024-T3的〜470 MPa.
- 疲劳 & 韧性: 2024 通常显示出更好的断裂韧性和疲劳裂纹增长抗性.
- 腐蚀 & 可焊性: 两者都没有很好的焊接, 但 7075 更容易去除角质腐蚀; 2024 经常收到艾尔克拉德或涂料.
- 形成性: 2024 (T3/T4) 形成比 7075, 弯曲期间倾向于破裂.
